荒井 規允 (アライ ノリヨシ)

Arai, Noriyoshi

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所属(所属キャンパス)

理工学部 機械工学科 開放環境科学専攻 (矢上)

職名

准教授

メールアドレス

メールアドレス

HP

研究室住所

横浜市港北区日吉3-14-1 35棟107

研究室電話番号

045-566-1846

研究室FAX番号

045-566-1495

外部リンク

その他の所属・職名 【 表示 / 非表示

  • 理化学研究所, 計算宇宙物理研究室, 客員研究員

経歴 【 表示 / 非表示

  • 2009年04月
    -
    2010年03月

    電気通信大学, 電気通信学部 知能機械工学科, 助教

  • 2010年04月
    -
    2014年03月

    電気通信大学大学院, 情報理工学研究科 知能機械工学専攻, 助教

  • 2012年04月
    -
    2013年03月

    University of Nebraska-Lincoln, Department of Chemistry, Visiting Assistant Professor

  • 2014年04月
    -
    2018年03月

    近畿大学, 理工学部 機械工学科, 講師

  • 2018年04月
    -
    2019年03月

    近畿大学, 理工学部 機械工学科, 准教授

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学歴 【 表示 / 非表示

  • 2000年04月
    -
    2004年03月

    慶應義塾, 理工学部, 機械工学科

    日本, 大学, 卒業

  • 2004年04月
    -
    2006年03月

    慶應義塾, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

    日本, 大学院, 修了, 修士

  • 2006年04月
    -
    2009年03月

    慶應義塾, 開放環境科学専攻, 環境資源エネルギー科学専修

    日本, 大学院, 修了, 博士

学位 【 表示 / 非表示

  • 博士(工学), 慶應義塾, 課程, 2009年03月

    散逸粒子動力学法を用いた界面活性剤水溶液の自己組織化の解明および高効率ナノ モーターシステムの設計・開発

免許・資格 【 表示 / 非表示

  • 普通自動車第一種運転免許, 2000年09月

  • 初級システムアドミニストレータ資格, 2000年11月

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 熱工学 (マイクロ・ナノ工学)

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • ソフトマター

  • 分子シミュレーション

  • 相変化

 

著書 【 表示 / 非表示

  • 高分子材料の事典(仮)

    荒井規允, 朝倉書店, 2021年

  • 化学便覧 基礎編 改訂6版

    荒井規允, 泰岡顕治など, 丸善出版, 2020年12月

  • データ分析の進め方及びAI・機械学習導入の指南 ~データ収集・前処理・分析・評価結果の実務レベル対応~

    荒井規允, 情報機構, 2020年07月

  • 界面活性剤の選び方、使い方事例集

    荒井規允, 技術情報協会, 2019年

    担当範囲: 第2章 第9節「AIによる界面活性剤の性質予測」

  • 人と共生するAI革命 : 活用事例からみる生活・産業・社会の未来展望

    荒井規允, 湯原大輔, 泰岡顕治, エヌ・ティー・エス, 2019年

    担当範囲: 第11章3節「AI活用による材料創製のための分子シミュレーションの高速化と界面活性剤性質予測システムの開発」

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論文 【 表示 / 非表示

  • Effect of chemical design of grafted polymers on the self-assembled morphology of polymer-tethered nanoparticles in nanotubes

    Sato Takumi, Kobayashi Yusei, Arai Noriyoshi

    JOURNAL OF PHYSICS-CONDENSED MATTER (Journal of Physics Condensed Matter)  33 ( 36 )  2021年09月

    ISSN  0953-8984

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    There is a clear relationship between the self-assembling architecture of nanoparticles (NPs) and their physical properties, and they are currently used in a variety of applications, including optical sensors. Polymer-tethered NPs, which are created by grafting polymers onto NPs to control the self-assembly of NPs, have attracted considerable attention. Recent synthetic techniques have made it possible to synthesize a wide variety of polymers and thereby create NPs with many types of surfaces. However, self-assembled structures have not been systematically classified because of the large number of tuning parameters such as the polymer length and graft density. In this study, by using coarse-grained molecular simulation, we investigated the changes in the self-assembled structure of polymer-tethered NP solutions confined in nanotubes due to the chemical properties of polymers. Three types of tethered polymer NP models were examined: homo hydrophilic, diblock hydrophilic-hydrophobic (HI-HO), and diblock hydrophobic-hydrophilic. Under strong confinement, the NPs were dispersed in single file at low axial pressure. As the pressure increased, multilayered lamellar was observed in the HI-HO model. In contrast, under weak confinement, the difference in the pressure at which the phases emerge, depending on the model, was significant. By changing the chemical properties of the grafted polymer, the thermodynamic conditions (the axial pressure in this study) under which the phases appear is altered, although the coordination of NPs remains almost unchanged. Our simulation offers a theoretical guide for controlling the morphologies of self-assembled polymer-tethered NPs, a novel system that may find applications in nanooptical devices or for nanopatterning.

  • Molecular Insight into the Possible Mechanism of Drag Reduction of Surfactant Aqueous Solution in Pipe Flow

    Kobayashi Yusei, Gomyo Hirotaka, Arai Noriyoshi

    INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES (International Journal of Molecular Sciences)  22 ( 14 )  2021年07月

    ISSN  16616596

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    The phenomenon of drag reduction (known as the “Toms effect”) has many industrial and engineering applications, but a definitive molecular-level theory has not yet been constructed. This is due both to the multiscale nature of complex fluids and to the difficulty of directly observing self-assembled structures in nonequilibrium states. On the basis of a large-scale coarse-grained molecular simulation that we conducted, we propose a possible mechanism of turbulence suppression in surfactant aqueous solution. We demonstrate that maintaining sufficiently large micellar structures and a homogeneous radial distribution of surfactant molecules is necessary to obtain the drag-reduction effect. This is the first molecular-simulation evidence that a micellar structure is responsible for drag reduction in pipe flow, and should help in understanding the mechanisms underlying drag reduction by surfactant molecules under nonequilibrium conditions.

  • Self-assembly of polymer-tethered nanoparticles with uniform and Janus surfaces in nanotubes

    Sato Takumi, Kobayashi Yusei, Michioka Takenobu, Arai Noriyoshi

    SOFT MATTER (Soft Matter)  17 ( 15 ) 4047 - 4058 2021年04月

    ISSN  1744-683X

     概要を見る

    In this study, a coarse-grained molecular simulation was performed to investigate the morphologies and phase diagrams of self-assembled polymer-tethered nanoparticles (NPs) confined in nanotubes (NTs). Unlike ordinary NPs, polymer-tethered NPs have two distinct characteristic lengths, which are key factors that determine their self-assembly. Herein, two distinct types of NT walls and three types of polymer-tethered NPs were considered: hydrophilic and hydrophobic walls, and hydrophilic, hydrophobic, and Janus surfaces. First, the qualitative phase diagrams of the axial pressure,Pz,versusthe ratio of the NT radius to the NP radius,L, were derived. The results revealed that diverse self-assembled morphologies, which are not formed in non-tethered NPs, were observed in the polymer-tethered NPs. For example, three types of ordered structures with different structural characteristic lengths, depending onPz, were obtained. In addition, the effect of the chemical nature of the polymer-tethered NP surface on the self-assembled morphology confined in NTs was investigated. Clusters of water molecules were formed, particularly in the hydrophobic polymer-tethered NPs, and these clusters caused the structural distortion of the NP. Moreover, in the polymer-tethered NPs with the Janus amphiphilic surface, the hydrophobic and hydrophilic polymer tethered NPs assembled in the axial direction to form an ordered structure, and a double-helix structure was formed atL= 3.0 in the hydrophobic NT. The results of these simulations indicate that the self-assembly behaviours of polymer-tethered NPs can be qualitatively predicted based on the chemical nature of the NT walls and the surface design of the polymer-tethered NP.

  • Nanotube Active Water Pump Driven by Alternating Hydrophobicity

    Arai Noriyoshi, Koishi Takahiro, Ebisuzaki Toshikazu

    ACS NANO (ACS Nano)  15 ( 2 ) 2481 - 2489 2021年02月

    ISSN  1936-0851

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    Water transport must be efficiency controlled for the future sustainability of life. Various water transport systems using carbon nanotubes have been proposed in recent years. Although these systems are more permeable than aquaporins, their water transport is passive. In this study, we successfully demonstrate an active water pump driven by simple hydrophobic interaction through computer simulation. Even in the absence of a pressure- or density-gradient, the proposed pump can actively transport water molecules by alternately switching the hydrophobicity of the pump surface. The water transport rate can be easily controlled by varying the time interval of switching. The pump with optimized switching time exhibits prominent water permeance. The results obtained herein can be applied in various water transport technologies because of the simple mechanics. The proposed water pump has the potential to realize an effective device such as a low-energy artificial purification system.

  • Structure and Shear Response of Janus Colloid-Polymer Mixtures in Solution

    Kobayashi Yusei, Arai Noriyoshi, Nikoubashman Arash

    LANGMUIR (Langmuir)  36 ( 47 ) 14214 - 14223 2020年12月

    ISSN  0743-7463

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    We investigate the structure and rheological properties of dilute colloid-polymer mixtures at rest and under shear via molecular simulations that take into account hydrodynamic interactions. Mixtures of amphiphilic Janus colloids (JCs) and hydrophobic/amphiphilic polymers are considered for various solvent qualities and polymer concentrations. Free polymers, small polymer droplets, and hybrid aggregates coexist in mixtures with slightly hydrophobic homopolymers. As the solvent quality worsens, all polymers aggregate into small droplets, covered and stabilized by the JCs. In mixtures with amphiphilic polymers, we observe the coexistence of free polymers, purely polymeric micelles, and hybrid aggregates. At low shear rates, all mixtures exhibit a Newtonian-like response with intrinsic shear viscosities that are up to 2 times as large as of pure suspensions of nonadsorbing colloids at the same concentration. Furthermore, the mean aggregation number increases slightly due to the flow-enhanced collision of aggregates. At larger shear rates, however, the aggregates break up, the polymers align in the flow direction, and the mixtures exhibit shear-thinning. This shear-induced breakup occurs at stronger shear compared to pure JC suspensions, indicating that the adsorbed polymers reinforce the hybrid aggregates.

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KOARA(リポジトリ)収録論文等 【 表示 / 非表示

総説・解説等 【 表示 / 非表示

研究発表 【 表示 / 非表示

  • Clarifying mechanism of water permeation in polymeric membranes and synthetic strategy for water-inhibiting functional polymers

    N Arai, Y. Araki

    6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 2019年03月, ポスター(一般)

  • Dissipative particle dynamics simulation for elucidating relaxation behaviour of telechelic ionomer supramolecular network

    R. Miwatani, N. Arai

    6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 2019年03月, ポスター(一般)

  • Dissipative particle dynamics simulation for self-assembly and rheological properties of nanofluids

    Y. Kobayashi, N. Arai

    6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 2019年03月, ポスター(一般)

  • Structural analysis of cholesteric liquid crystal orientation in nanotube: Dissipative particle dynamics simulation

    H. Tsujinoue, T. Nozawa, N. Arai

    6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 2019年03月, ポスター(一般)

  • Self-assembly of various patchy nanoparticles in nanoslit using molecular simulation

    Y. Kobayashi, N. Arai, K. Nomura

    6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (MYMA2019), 2019年03月, ポスター(一般)

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競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 界面活性剤分子の自己集合によるトムズ効果メカニズムの分子論的解明

    2017年04月
    -
    2020年03月

    文部科学省・日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 荒井 規允, 若手研究(B), 補助金,  代表

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    本年度は昨年度に開発した境界条件に密度勾配を与える方法のプログラムを使用し,実際に円管流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現,解析を行った.トムズ効果に影響を与えるパラメータとして様々なものが知られているが,まずは界面活性剤分子が持つ炭素鎖の長さと,円管壁面の化学的性質の2つに着目して,流れの速度の影響を調べた.
    その結果,比較的炭素鎖の長さが短い場合,流れが遅い場合球状ミセルが形成されるが,流れの速度が増加するにつれて球状ミセル同士が衝突によって長い棒状・紐状のミセルへ成長し,粘度の減少が観察された.一方,炭素鎖が比較的長い場合,速度が遅いときには巨大な球状ミセルが形成され,粘度が流れの速度によらないニュートニアンのような振る舞いを示すが,流れが早くなるにつれて棒状ミセルの出現,さらに棒状ミセルが引き伸ばされることによって,粘度の増加が観察された.
    さらに管内壁面の化学的相互作用を変化させた時,親水的な壁面の場合,界面活性剤の濃度にかかわらず流れの速度が速くなるにつれて粘度の減少が見られたが,疎水的な壁面の場合,濃度が低いときにはニュートン流体のような振る舞い,濃度が高いときには粘度増加が観察された.この原因はミセルの破壊と弾性乱流の発生に伴うものだと示唆された.
    また現実により近く,妥当性のある結果を得るためには巨大な系と長時間のシミュレーションを行い,十分な統計量を得ることが必要である.OpenMPやFDPSを使用した高速化コードの開発は引き続き取り組んでいる.
    当初予定していた研究計画通りに進めることができた.トムズ効果のメカニズムを調べるために,まずは2つのパラメータについて詳細に検討できた.さらに結果は投稿論文で発表することができたため,順調に進展している,とした.
    シミュレーションの高速化に関するプログラムコードの開発,特にFDPSフレームワークの導入は引き続き行う予定である.いくつかのパラメータについて,管内流れ下における界面活性剤水溶液の挙動を再現し,粘度挙動を詳細に検討することがが可能となったため,これを踏まえ,抵抗低減に関する検討を行い,トムズ効果発現の分子論的な原因を特定する.そのためには,高レイノルズ数における流れを再現する必要がある.現在,計算の効率化のため円管半径を小さく抑えたため,レイノルズ数が小さくなってしまっている.半径をより大きくした大規模なシミュレーションを行い,抵抗低減率を測定し,それとミセルのサイズや形状,棒状ミセルの配向性や伸び,界面活性剤分子の親水性・円管の半径や化学的な相互作用とどのような関係性が見られるかについて検討することを予定して いる.

  • 散逸粒子動力学シュミュレーションによるJanusナノ粒子の自己集合形態の予測

    2013年04月
    -
    2015年03月

    電気通信大学, 荒井 規允, 若手研究(B)

     研究概要を見る

    ナノ粒子の自己集合は,我々の身の回りの様々な機能性材料の中で用いられている.つまり,自己集合と機能には強い関わりがあると言える.Janus粒子は,粒子表面に2つ以上の異なる性質を持つ(例えば疎水性と親水性を併せ持つ)特殊な粒子で,近年の合成技術の発達によって作成可能となった.本研究では Janusナノ粒子の自己集合構造や自己集合過程を分子シミュレーションによって調べた.その結果,これまで観察されなかった新しい集合構造や相を発見し,また規則的な相が現れるいくつかの条件を特定することができた.

 

担当授業科目 【 表示 / 非表示

  • 理工学基礎実験

    2021年度

  • 開放環境科学課題研究

    2021年度

  • 開放環境科学特別研究第2

    2021年度

  • 開放環境科学特別研究第1

    2021年度

  • 形状情報の表現

    2021年度

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所属学協会 【 表示 / 非表示

  • 日本伝熱学会, 

    2018年04月
    -
    継続中
  • スマートプロセス学会, 

    2016年04月
    -
    2018年03月
  • 日本機械学会, 

    2009年04月
    -
    継続中
  • 分子シミュレーション学会, 

    2007年04月
    -
    継続中
  • 日本レオロジー学会, 

    2006年04月
    -
    継続中

委員歴 【 表示 / 非表示

  • 2017年04月
    -
    2018年03月

    第30回計算力学講演会実行委員副幹事, 日本機械学会計算力学部門

  • 2016年04月
    -
    2017年03月

    第30回分子シミュレーション討論会実行委員, 分子シミュレーション学会

  • 2016年04月
    -
    2017年03月

    編集委員, スマートプロセス学会

  • 2015年04月
    -
    2019年03月

    編集委員, 分子シミュレーション学会

  • 2011年04月
    -
    2012年03月

    第25回分子シミュレーション討論会実行委員, 分子シミュレーション学会